一种小型水下设备的零动力悬停系统及方法与流程

本发明涉及水下浮力驱动装置
技术领域：
，尤其涉及一种小型水下设备的零动力悬停系统及方法。
背景技术：
：为了提高单位水域的经济产出，一般会采用多种鱼龟类混养的方式，不同种类的鱼群，生活在不同的水深。高密度的立体多层水产养殖方式，对提高鱼类生存环境提出了更高的要求。全自动定期投食、增氧、杀菌各种高科技的手段，都是基于对鱼群的实时监控，采集鱼群健康数据后的最优决策。现有的监控安装方式，常见的有固定立柱安装及水下机器人两种方式。固定立柱方式，监控的范围太窄，需要布控的监控点太多，已经很难满足日益增长的监控需求。现有的水下机器人设备，一般采用上下方向螺旋桨的方式，来实现设备的上浮、下沉及悬停。这种方式最大的缺陷在于，即使在悬停不动的状态下，也有较大的动力消耗，从而导致水下机器人设备的续航能力很弱。我们研究过水下悬停监控机器人的工作方式，认为监控机器人虽然也有上浮下沉前后左右六个方向的运动需求，但是运动状态的时间是非常短的，一般到达目的位置及高度后，长时间的状态时悬停静止状态，所以，只是需要降低悬停时水下机器人的动力消耗，就可以大幅提升水下悬停监控机器人的续航时间。因此，我们提出了采用此种零动力水下悬停系统的思路，采用这种方式悬停的水下悬停监控机器人，维持悬停时，不再消耗动力，从而可以把小型设备宝贵的动力资源全部用于摄像传感器及控制系统。从而让水下悬停监控机器人数天甚至数十天的续航要求得到了满足和解决。技术实现要素：为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种用于小型水下设备的零动力悬停系统及方法。本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种小型水下设备的零动力悬停系统，包括水密仓、设置在水密仓内部用于产生气体的水电解模块、以及控制水密仓运动的升降控制器；所述水密仓的底部设置有通水口，所述水密仓的顶部设置有放气口；所述升降控制器包括升降控制线路板模块和升降控制执行模块，所述升降控制线路板模块包括姿态角度传感器、单片机、电磁阀控制回路，所述升降控制执行模块包括用于控制所述放气口开闭的放气电磁阀；所述姿态角度传感器将所述悬停系统的实时运动姿态数据传送给所述单片机，所述单片机通过电磁阀控制回路控制所述放气电磁阀开闭；所述水电解模块包括水电解线路板模块和惰性金属电极；所述单片机通过所述水电解线路板模块控制所述惰性金属电极工作产生气体；所述升降控制线路板模块和水电解线路板模块密封设置在所述水密仓的内顶部；所述放气电磁阀设置在所述水密仓顶部的放气口处；所述惰性金属电极设置在所述水密仓的内底部。进一步地，所述姿态角度传感器包括陀螺仪、加速度计、地磁传感器和气压传感器，用于监测并求解所述悬停系统的实时海拔位置、朝向角度、运动方向、运动速度。进一步地，所述水电解线路板模块包括恒流恒压控制电路，所述单片机通过所述恒流恒压控制电路控制所述惰性金属电极工作。进一步地，所述水电解线路板模块还包括所述h桥驱动电路，所述单片机通过所述恒流恒压控制电路和所述h桥驱动电路控制所述惰性金属电极工作。进一步地，所述惰性金属电极为两个钛合金金属电极组成，所述惰性金属电极进行电镀铂或铱处理。进一步地，所述水密仓的底部设置有两个通水口，两个通水口一前一后的排列设置在所述水密仓的底部。一种小型水下设备的零动力悬停方法，包括：设置基准，悬停系统漂浮在水面时，通过姿态角度传感器测量出当前的气压，通过气压与海拔对照表，换算得到当前悬停系统的海拔高度，将此海拔高度及悬停系统当前姿态设置为基准；下沉，升降控制器收到下沉指令，单片机根据姿态角度传感器的运动姿态数据，单片机判定本悬停系统状态为下沉，单片机控制放气电磁阀打开，水密仓内的气体排出，水密仓内的气压降低，水从通水口进入水密仓的内部，当本悬停系统的总浮力小于自身的重量，悬停系统开始下沉；上浮，升降控制器收到上浮指令，单片机根据姿态角度传感器的运动姿态数据，单片机判定悬停系统状态为上浮，单片机控制放气电磁阀关闭，打开水电解模块，将水密仓内的水电解成氢气和氧气，水密仓内气体数量的增加，水密仓内的气压增大，水密仓内的水从底部的通水口排出，当悬停系统的总浮力大于悬停系统自身的重量时，悬停系统开始上浮；悬停，当姿态角度传感器检测到悬停系统到达指定的深度时，单片机通过微调放气电磁阀及水电解模块，调整水密仓内的气压，改变水密仓内的水位，控制悬停系统的总浮力等于自身的重量，实现悬停。进一步地，所述单片机通过所述水电解模块中的恒流恒压控制电路，进而控制惰性金属电极电水解的速度。进一步地，所述悬停系统进入悬停状态后，所述单片机控制所述放气电磁阀和水电解模块处于关闭的状态。本发明的有益效果为：（1）间接采用浮力作为本悬停系统上浮下沉悬停的动力，在处于悬停状态时，耗能部件放气电磁阀及水电解模块都是处于关闭状态，从而实现零动力的水下悬停，为小型水下设备长时间水下悬停实现了更长的续航时间。（2）水电解模块中，采用惰性金属电极，采用h桥驱动电路，使两个惰性金属电极总是在阴极电极和阳极电极之间不停切换，避免金属阳极电极总是失去电子而导致的“氢脆”溶解，延长了电极的使用寿命。（3）采用水电解模块产生气体来改变水密仓的浮力，水电解模块体积小，气体产生的速度控制更容易实现，水电解模块没有高温高压的部件，增加了整体系统的可靠性，降低了本悬停系统的设计及制造难度。（4）本悬停系统结构简单，布局合理，可适应各种酸碱度的水质。附图说明图1是本发明悬停系统的结构示意图；图2是本发明升降控制器的控制过程示意图；图3是pwm调制h桥驱动电路的原理图；附图标记说明：1-水密仓、2-放气口、3-通水口、110-姿态角度传感器、120-单片机、130-电磁阀控制回路、140-h桥驱动电路、150-恒流恒压控制电路、160-放气电磁阀、170-惰性金属电极、111-陀螺仪、112-加速度计、113-地磁场传感器、114-气压传感器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。本实施例中，如图1和如图2所示，一种适用于小型无人水下设备的零动力悬停系统，包括水密仓1、设置在水密仓1内部用于产生气体的水电解模块、以及控制水密仓1运动的升降控制器。水密仓1的顶部设置有放气口2，水密仓1的底部设置有通水口3。升降控制器包括升降控制线路板模块和升降控制执行模块，模块之间电连接。升降控制线路板模块包括姿态角度传感器110、单片机120、和电磁阀控制回路130，升降控制执行模块包括放气电磁阀160，单片机120通过电磁阀控制回路130控制放气电磁阀160开闭。水电解模块包括水电解线路板模块和惰性金属电极170，单片机120通过水电解线路板模块控制惰性金属电极170工作产生气体。升降控制线路板模块和水电解线路板模块密封设置在水密仓1的内顶部，放气电磁阀160设置在水密仓1顶部的放气口2处，惰性金属电极170设置在水密仓1的内底部。本实施例中，本发明的悬停系统还进一步包括驱动电源，驱动电源密封设置在水密仓1的底部，驱动电源为蓄电池，本发明的驱动电源采用无线充放电技术，驱动电源电连接升降控制器。本发明悬停系统的运行原理：驱动电源供电给升降控制器，控制水电解模块和放气电磁阀160，水电解模块将水分解成氢气和氧气，通过控制水密仓1中的气压，改变水密仓1中水位，从而改变整个悬停系统的浮力，实现悬停系统的悬停、上升和下沉。本实施例中，姿态角度传感器110包括陀螺仪111、加速度计112、地磁场传感器113和气压传感器114，姿态角度传感器110采用微处理器和动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。姿态角度传感器110测量维度：加速度/3维，角速度/3维，磁场/3维，角度/3维，气压/1维。通过姿态角度传感器110可以得到悬停系统当前的海拔位置、朝向角度、运动方向、运动速度，方便我们经过控制，得到想要的状态。本实施例中，姿态角度传感器110是一个集成模块，集成了高精度的陀螺仪111、加速度计112、地磁场传感器113和气压传感器114，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出悬停系统的实时运动姿态，包括三维角度、三维加速度、三维角速度、磁场、气压等多方面的数据。姿态角度传感器110将悬停系统的实时运动姿态数据传送给单片机120，单片机120接收姿态角度传感器110反馈来的状态数据，通过控制放气电磁阀160及水电解模块，来调整及改变需要的状态，发出悬停系统的上浮、下沉或悬停的命令。姿态角度传感器110具体求解数据通过升降控制线路板模块的iic接口传输，单片机直接得到需要的数据。其iic接口通讯协议见下表1：表1：地址符号含义0x00save保存当前配置0x01calsw校准0x02rsw回传数据内容0x03rate回传数据速率0x04baud串口波特率0x05axoffsetx轴加速度零偏0x06ayoffsety轴加速度零偏0x07azoffsetz轴加速度零偏0x08gxoffsetx轴角速度零偏0x09gyoffsety轴角速度零偏0x0agzoffsetz轴角速度零偏0x0bhxoffsetx轴磁场零偏0x0chyoffsety轴磁场零偏0x0dhzoffsetz轴磁场零偏0x0ed0moded0模式0x0fd1moded1模式0x10d2moded2模式0x11d3moded3模式0x12d0pwmhd0pwm高电平宽度0x13d1pwmhd1pwm高电平宽度0x14d2pwmhd2pwm高电平宽度0x15d3pwmhd3pwm高电平宽度0x16d0pwmtd0pwm周期0x17d1pwmtd1pwm周期0x18d2pwmtd2pwm周期0x19d3pwmtd3pwm周期0x1aiicaddriic地址0x1bledoff关闭led指示灯0x1cgpsbaudgps连接波特率本实施例中，水电解模块包括水电解线路板模块和惰性金属电极170，水电解线路板模块包括h桥驱动电路140和恒流恒压控制电路150，h桥驱动电路140、恒流恒压控制电路150和惰性金属电极170组成水电解模块。h桥驱动电路140和恒流恒压控制电路150密封设置在水密仓1的内顶部，惰性金属电极170设置在所述水密仓1的内底部。电解水的原理：将两个浸没在水中的惰性电极通上一定电压的直流电，水在直流电的作用下，分解成氢气和氧气。本实施例中，惰性金属电极170为两个钛合金金属电极组成，耐各种酸碱性水质。为了提高水电解的反应效率，对钛合金金属电极进行电镀处理，使钛合金金属电极表面镀一层铂或铱，做电解水的催化剂，提高反应速率。本实施例中，钛合金金属电极表面的电镀层可以是铂，还可以是铱。本实施例中，h桥驱动电路140：当直流电接上两个惰性金属电极170时，正电压接的那个电极称为阳极电极，负电压接的那个电极称为阴极电极，电流总是从阳极电极流向阴极电极，如果阳极电极与阴极电极保持不变，就会在阳极电极上产生过多的空穴，这时，水电解后的氢原子，就会扩散到这些空穴中，并变成氢分子，产生巨大的压力，从而导致惰性金属电极170变脆，甚至断裂，这种反应叫“氢脆”。为了防止“氢脆”的产生，设计一个h桥驱动电路140来改变直流电压的方向，让两个惰性金属电极170都能够在一个时间段是阳极电极，下一个时间段又变成了阴极电极，避免了在一个惰性金属电极170上产生过多的空穴，从而避免了“氢脆”的产生。本实施例中，恒流恒压控制电路150：在水电解模块中，水分解氢气和氧气的速度，与施加在两个惰性金属电极170上的电压和电流是成正比的关系，电压越高，电流越大，水电解的速度就越快。所以，设计恒流恒压控制电路150，来控制电水解的速度。本实施例中，两个惰性金属电极170，一半时间是阳极电极，一半时间是阴极电极，在充当阳极电极时失去电子，在充当阴极电极时，得到电子，极大地延长了电极的使用寿命。为了控制水电解进程的速度，水电解模块中还设有可调的恒流恒压控制电路150，通过调节通过电极的电流，控制水电解产生气体的速度。本实施例中，图3是pwm调制h桥驱动电路的原理图，其工作时，q1/q4导通q2/q3截止，电流从m+流往m-,如果q1/q4截止，q2/q3导通，则电流从m-流往m+。而不管是m+/m-电流流向如何，电流总是经过电阻r16流向gnd。其在电阻r16形成一个与电流大小对应的电压，采用脉冲宽度控制方式（pwm）控制q1/q2/q3/q4导通的时间，就可以控制流过电阻r16的电流，改变电阻r16上形成的这个电压ct2。当电压ct2被控制在一个恒定的值上，就表示流过电阻r16的电流也是一个恒定值，完成一个控制过程。本实施例中，水密仓1的顶部设有放气口2，放气电磁阀160设置在放气口2处，采用电磁阀控制回路130控制，作用是给水密仓1中的气体提供一个排气的通道，水密仓1的底部有常开的两个通水口3，两个通水口3一前一后的排列，可以保持进水及排水时的平衡。放气电磁阀160打开时，水密仓1内的气体减少，水密仓1内的气压降低，水从通水口3进入水密仓1的内部。水密仓1中的水电解模块，将水密仓1中的水分解成氢气和氧气，随着水密仓1内的气体增多，水密仓1内的气压增大，水密仓1内的水从通水口3排出。通过控制水密仓1中的气压，改变水密仓1中的水位，调整悬停系统的总浮力与悬停系统自身的重量，实现悬停系统的上浮、下沉或悬停。本实施例中，本悬停系统的电子电路均采用密封部件内置在水密仓1内部。本实施例中，升降控制器还包括48khz-78khz低频载波无线串口。本实施例中，本悬停系统实现上浮、下沉及悬停的方法为：设置基准，本悬停系统漂浮在水面时，通过升降控制器内置的姿态角度传感器110测量出当前的气压，通过气压与海拔对照表，换算得到当前本悬停系统的海拔高度，单片机120将此海拔高度及本悬停系统当前姿态设置为基准。使用者设定本悬停系统的下沉和上浮的距离时，依据基准设定上浮的最大值0，下沉的距离以负值计量，距离包括实时加速度与时长，参考查询基准气压与当前气压的对照表。下沉，假定使用者需要本悬停系统在水面下5米处悬停，升降控制器通过48khz-78khz低频载波无线串口接收外部指令，此时，单片机120根据姿态角度传感器110的运动姿态数据，单片机120判定本悬停系统状态为下沉。单片机120控制放气电磁阀160打开，水密仓1内的气体排出，水密仓1内的气压降低，水从通水口3进入水密仓1的内部，当本悬停系统的总浮力小于自身的重量，本悬停系统开始下沉，这个差值越大，下沉的速度越快。下沉的过程中，姿态角度传感器110不停地将下沉距离及加速度的实时运动姿态数据传送至单片机120，由单片机120采用pid调节算法控制下沉的速度，越接近使用者的设定，下沉的速度就越慢。上浮,假定本悬停系统当前状态为水下5米悬停，此时使用者设定本悬停系统在水下3米处悬停，升降控制器通过48khz-78khz低频载波无线串口接收外部指令，单片机120根据姿态角度传感器110的运动姿态数据，单片机120判定本悬停系统状态为上浮。单片机120控制放气电磁阀160关闭，打开水电解模块，将水密仓1内的水电解成氢气和氧气。随着水密仓1内气体数量的增加，水密仓1内的气压增大，将水密仓1内的水从底部的通水口3排出去，当悬停系统的总浮力大于悬停系统自身的重量时，悬停系统实现上浮，这个差值越大，上浮的速度越快。上浮的过程中，姿态角度传感器110不停地将上浮距离及加速度的实时运动姿态数据传送至单片机120，由单片机120采用pid调节算法控制上浮的速度，越接近使用者的设定，下沉的速度就越慢。悬停，当姿态角度传感器110检测到本悬停系统到达使用者设定的深度时，单片机120通过微调放气电磁阀160及水电解模块，调整水密仓1内的气压，改变水密仓1内的水位，控制悬停系统的总浮力等于自身的重量，实现悬停。单片机120判定本悬停系统处于设定的悬停位置后，耗能部件放气电磁阀160及水电解模块都是处于关闭状态，整个悬停系统仅单片机120及姿态角度传感器110工作，这是一个非常小的功耗。对位置的判定是通过检测水密仓1内的气压，以及设备漂浮在水面时的基准气压，辅助三维角度、三维加速度、三维角速度和磁场数据，计算得到水下深度的数据。本发明间接采用浮力作为本悬停系统上浮、下沉、悬停的动力，在处于悬停状态时，可以完全关闭调节浮力的动力装置，从而实现零动力的水下悬停。为小型水下设备长时间水下悬停实现了更长的续航时间。本发明的水电解模块，水电解模块中，采用惰性金属电极170，采用h桥驱动电路140，使两个惰性金属电极170总是在阴极电极和阳极电极之间不停切换，避免金属阳极电极总是失去电子而导致的“氢脆”溶解，延长了电极的使用寿命。本发明采用水电解模块产生气体来改变水密仓1的浮力，水电解模块体积小，气体产生的速度控制容易实现，水电解模块没有高温高压的部件，增加了整体系统的可靠性，降低了本悬停系统的设计及制造难度。本发明的悬停系统结构简单，布局合理，针对适应各种酸碱度的水质。根据上述说明书的揭示，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。当前第1页12